Ondas giratórias com comprimentos de onda curtos tornam possíveis componentes magnônicos de computador
Um novo estudo realizado pela Universidade de Viena, pelo Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes em Stuttgart e pelos Centros Helmholtz em Berlim e Dresden representa um passo importante para miniaturizar ainda mais os componentes do computador e torná-los mais eficientes em termos energéticos. O trabalhar, publicado na renomada revista Science Advances, abre novas possibilidades para a criação de circuitos magnéticos reprogramáveis, excitando ondas de spin com correntes alternadas e redirecionando-as conforme necessário.
As unidades centrais de processamento (CPUs) que usamos em nossos laptops, desktops ou até mesmo telefones são compostas de bilhões de transistores baseados na tecnologia complementar de semicondutores de óxido metálico (CMOS). Com a necessidade de miniaturizar estes dispositivos, as restrições físicas levantam preocupações sobre a sua sustentabilidade. Além disso, o alto consumo e as perdas de energia estão forçando os cientistas a procurar arquiteturas de computadores alternativas.
Um dos candidatos mais promissores são os magnons, os quanta das ondas de spin. “Imagine um lago calmo. Se jogarmos uma pedra na água, as ondas se espalham para longe de onde se originaram. Agora substituímos o lago por um material magnético e a pedra por uma antena. As ondas que se propagam são chamadas de ondas de spin e podem ser usado para transferir energia e informação de um ponto a outro com perdas mínimas”, diz Sabri Koraltan, da Universidade de Viena, primeiro autor do estudo publicado recentemente na revista “Science Advances”. Uma vez geradas, as ondas de spin podem ser usadas em dispositivos funcionais magnônicos para realizar tarefas computacionais clássicas e não convencionais. “Para reduzir a pegada dos dispositivos magnônicos, precisamos usar ondas de spin com comprimentos de onda curtos, que são difíceis de gerar com nanoantenas modernas devido à sua eficiência limitada”, acrescenta Sebastian Wintz, do Helmholtz-Zentrum Berlin e coordenador do projeto de pesquisa. As nanoantenas só podem ser produzidas em salas limpas, instalações de nanofabricação altamente especializadas, utilizando técnicas avançadas de litografia.
Os investigadores da Áustria e da Alemanha encontraram uma solução muito mais simples: a corrente eléctrica flui directamente através de uma pilha magnética com padrões magnéticos rodopiantes. “Nossa pesquisa mostra que usando uma geometria de corrente alternada lateral em pares de vórtices ferrimagnéticos sintéticos, podemos alcançar a emissão de ondas de spin com uma eficiência que excede os métodos convencionais em várias ordens de grandeza”, diz Sabri Koraltan. Os sistemas ferrimagnéticos sintéticos têm padrões de magnetização opostos. Se a camada superior tiver um vórtice giratório no sentido horário, a camada inferior terá uma rotação no sentido anti-horário. Isto permite que o padrão de magnetização seja excitado de forma eficiente pelos campos magnéticos gerados pelas correntes alternadas. “Com nosso microscópio de raios X de alta resolução ‘Maxymus’ no síncrotron de elétrons BESSY II em Berlim, fomos capazes de observar diretamente as ondas de spin previstas, mesmo em comprimentos de onda em nanoescala e frequências de gigahertz”, acrescenta Sebastian Wintz. “Ao usar materiais especiais que podem alterar sua magnetização quando submetidos a estresse mecânico, também mostramos que a direção dessas ondas de spin pode ser controlada dinamicamente simplesmente ajustando a força da corrente aplicada. Isso pode ser visto como um passo importante em direção à magnetização ativa. dispositivos”, acrescenta Sabri Koraltan. “A nova geração do nosso software de simulação micromagnética magnum.np torna possível realizar simulações em escalas espaciais muito grandes. Essas simulações foram essenciais para a compreensão dos principais mecanismos por trás da excitação eficiente e controlável da onda de spin observada aqui”, diz Dieter Süss, chefe do Departamento de Física de Materiais Funcionais da Universidade de Viena.
A capacidade de redirecionar ondas de spin sob demanda abre novas possibilidades para a criação de circuitos magnon reprogramáveis que poderiam levar a sistemas de computador mais adaptáveis e energeticamente eficientes. As descobertas, publicadas na revista Science Advances, representam um avanço importante na busca de novas maneiras de gerar magnons para o desenvolvimento potencial e futuro de tecnologias baseadas em magnons de próxima geração.
Publicação original:
Sabri Koraltan et al. “Emissão orientável de ondas de spin orientada por corrente em pares de vórtices magnéticos” Science Advances 10.39 (2024)
DOI: 10.1126/sciadv.ado8635
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado8635
Ilustração:
Figura 1: Ondas de spin coerentes excitadas por correntes alternadas em uma pilha magnética simples de três camadas. C: Sabri Koraltan